Overview
Quelle: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics & Astronomie, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Ein elektrisches Feld entsteht durch ein geladenes Objekt (bezeichnet als Quelle kostenlos) in den Raum um ihn herum und steht für die Fähigkeit, elektrische Kraft auf ein anderes geladenes Objekt (bezeichnet als der Test kostenlos) ausüben. Vertreten durch einen Vektor zu einem bestimmten Zeitpunkt in den Raum, ist das elektrische Feld die elektrische Kraft pro Einheit Test kostenlos an diesem Punkt (die Kraft auf eine willkürliche Ladung wäre die Ladung jederzeit das elektrische Feld) platziert. Das elektrische Feld ist grundlegend für Strom und Auswirkungen der Gebühren, und es ist auch eng mit anderen wichtigen Größen wie elektrische Spannung.
Dieses Experiment wird elektrifiziert Pulver in ein Öl verwenden, die Line-up mit elektrischen Feldern produziert von geladenen Elektroden, die elektrischen Feldlinien zu visualisieren. Dieses Experiment wird auch zeigen, wie ein elektrisches Feld induzieren Gebühren und Gebühren wie auf das elektrische Feld zu reagieren, durch Beobachtung der Wirkung eines geladenen Stabes auf einem nahe gelegenen Cola-Dose.
Principles
Ein geladenes Objekt erzeugt ein elektrisches Feld in den umgebenden Raum. Nach dem Gesetz der Gauss erzeugt z. B. eine Punktladung Q befindet sich am Anfang ein elektrischen Feldes:
(Gleichung 1)
an jedem Punkt im Raum mit einem Abstand R von der Ladung (im Ursprung R = 0), und die Richtung des elektrischen Feldes ist in der radialen Richtung (Weg von der Ladung Q positiv ist und auf die Ladung Q negativ ist). Eine Sammlung von Gebühren würde ein total elektrisches Feld nach dem Prinzip der Superposition produzieren, nämlich das gesamte elektrische Feld ist die Vektorsumme der elektrischen Felder produziert von individuellen Gebühren. Für eine gleichmäßig geladenen Kugel mit Gesamtladung Q ist das elektrische Feld produziert außerhalb der Sphäre dasselbe wie das elektrische Feld (gegeben durch die Gleichung 1) aufgrund einer punktförmigen Ladung Q in der Mitte der Kugel befindet, während das elektrische Feld im Inneren der Kugel null wäre.
Folgt man der lokalen Richtung des elektrischen Feldes zu verfolgen, das Vektorfeld Linien, diese Linien (deren Tangente spiegelt die örtliche Richtung des elektrischen Feldes, und die Dichte der Linien spiegelt die Stärke des lokalen elektrischen Feldes) sind als "elektrische Feldlinien" bekannt. Sie sind fiktive Linien, die helfen, die Verteilung und die Richtung der elektrischen Feldern zu visualisieren.
Ein elektrisches Feld ist eng mit elektrischen Potential. Ein elektrisches Feld erzeugen würde ein Potenzial Tropfen (oder "Spannungsabfall") entlang der Richtung des Feldes. Umgekehrt ist eine komfortable Möglichkeit, ein elektrisches Feld erzeugen, eine Potentialdifferenz anzuwenden. Zum Beispiel, wenn zwei unterschiedliche Spannungen auf zwei getrennten Leitungen (oder eine ungleich Null Spannung auf ein Dirigent, unter Beibehaltung einer anderen Dirigenten "geerdet" bei Null Spannung) angewendet werden, wird ein elektrisches Feld in den Raum zwischen den beiden Leitern in die Richtung aus der höheren Spannung Dirigent an der unteren Potenzialableiter generiert.
Ein elektrisches Feld (E) wird eine Kraft ausüben,
mit einer Ladung (Q). Die Richtung der Kraft ist dasselbe wie das elektrische Feld für positive q und gegenüber das elektrische Feld für negative Q. Wenn ein Dirigent (z. B. Metall) mit Mobilfunkkosten in einem elektrischen Feld platziert wird, wird das elektrische Feld positive Ladungen "downstream" in Richtung der elektrischen Feld und ziehen Sie negativen Ladungen (z. B. Elektronen) "stromaufwärts" gegenüber der Richtung des elektrischen Feldes, drücken, bis die Ladungen sammeln sich an der Grenze (Oberfläche) des Leiters und können nicht weiter. Dies führt zu einer Trennung von negativen und positiven Ladungen im Leiter in einem elektrischen Feld, ein Phänomen auch bekannt als "Polarisation" durch das elektrische Feld. Auch für Isolatoren, wo Kosten viel weniger mobil als diejenigen in einem Leiter sind, kann eine partielle "Polarisierung" (wo die negativen und positiven Ladungen leicht verschoben werden) in ein elektrisches Feld auftreten. Das elektrische Feld wird versuchen, die Verschiebung von den negativen zu den positiven Ladungen mit der Richtung des Feldes ausgerichtet. Wenn das elektrische Feld räumlich inhomogen ist, so dass die Kräfte auf die getrennten positiven und negativen Ladungen nicht kündigen, wird eine Nettokraft auf eine polarisierte Objekt ausgeübt werden.
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Procedure
(1) elektrische Feldlinien visualisieren
- Erhalten einen elektrostatischen Generator (z. B. ein handheld statische Grundstücksaussuche oder van der Graff Generator), ein paar Elektroden, die in einer Konfiguration mit konzentrischen Kreisen angeordnet und ein paar Elektroden Parallel zueinander angeordnet.
- Eine Petrischale oder eine Beobachtung Tank zu erhalten, füllen Sie ihn mit Öl (z.B. Rizinusöl) und elektrifiziert/Kopfprodukt Pulver (z. B. Grieß Samen) in das Öl hinzufügen.
- Laden Sie die Elektroden mit der parallelen Elektroden Konfiguration auf den Beobachtung Tankhalter. Die zwei Elektroden, die "−" (Erde) und "+" (gegen Gebühr) Klemmen des elektrostatischen Generator, beziehungsweise, wie in Abbildung 1. Die Verbindung kann durch Kabel mit Klemmen hergestellt werden.
Abbildung 1 : Das Diagramm zeigt die Schaltpläne von zwei Kupferdrähten, die an einen elektrischen Generator, die anderen Enden (in Öl getaucht) der Drähte angeschlossen sind mit zwei parallelen Elektroden verbunden.
- Drehen Sie die Kurbel des Generators die positiven Ladungen auf die Elektrode mit der Klemme "+" verbunden wird. Machen Sie mindestens 5 volle Umdrehungen. Beobachten Sie das Verhalten der Pulver.
- Verwenden Sie ein Kabel direkt kurz "−" und "+" Klemmen, die Gebühren zu neutralisieren. Trennen Sie die Elektrode von den Anschlüssen.
- Als nächstes laden Sie die konzentrischen Kreis-Elektrode-Konfiguration auf den Halter und schließen Sie die Elektroden an die Klemmen des Generators wieder an, wie in Abbildung 2dargestellt. Rühren Sie das Öl in der Schale der Pulver Randomize.
Abbildung 2 : Das Diagramm zeigt die Schaltpläne von zwei Kupferdrähten, die an einen elektrischen Generator, die anderen Enden (in Öl getaucht) der Drähte angeschlossen sind zwei Elektroden bzw. Wattierung Innenring und einem Außenring verbunden.
- Aufdrehen des Generators (mindestens 5 Umdrehungen) und laden Sie die Elektroden und beobachten Sie das Verhalten der Pulver in die Schüssel.
(2) die Wirkung des elektrischen Feldes
- Erhalten Sie eine leere Cola-Dose und ruhen sie sich auf die Seite (so dass es frei Rollen kann) auf einem Tisch
- Erhalten Sie einen Acryl-Stab; Reiben Sie es mit Pelz um ihn zu laden.
- Bringen Sie den Stab in der Nähe der leeren Cola-Dose, und beobachten Sie die Reaktion des Cola-Dose.
- Reißen Sie einen kleinen Streifen Papier und bringen Sie es auf den geladenen Stab, beobachten Sie sein Verhalten zu.
Das elektrische Feld ist grundlegend für Strom und Ladung-Charge Interaktionen zu verstehen und in engem Zusammenhang mit wichtigen Größen wie elektrisches Potential.
Jede geladene Objekt erzeugt ein elektrisches Feld. Die Größe des Feldes ist abhängig von der Menge der Ladung auf das Objekt und die Entfernung zum Objekt in das Feld gemessen wird. Diese Felder üben auch eine Kraft auf andere nahe gelegene Gebühren oder Materialien interessante Phänomene verursacht.
In diesem Video wir werden zunächst die grundlegenden Konzepte in Bezug auf elektrische Felder darauf zurückkommen, und dann zeigen wir ein Experiment, das hilft beim Studium elektrische Felder und die Kräfte, die Gebühren und Materialien in einem Feld auswirken. Zu guter Letzt sehen wir ein paar Anwendungen, die elektrische Felder zu ihrem Vorteil zu nutzen.
Wie bereits erwähnt, erzeugt ein geladenes Objekt ein elektrisches Feld in den umgebenden Raum. Laut Gesetz der Gauss ist die Größe des elektrischen Feldes linear proportional zu der Quelle kostenlos "Q" und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes "R" von der Quelle-Ladung; und 'k' ist die Coulomb-Konstante. So verdoppelt die Menge der Quelle kostenlos Ergebnisse im Doppel die Feldstärke. Während der Messung Verdoppelung reduziert Abstand die Feldstärke um viermal.
Das elektrische Feld durch ein geladenes Objekt produziert kann mit fiktive Linien genannt "elektrischen Feldlinien" visualisiert werden. Diese Linien sind eine Sammlung von Pfeilen gezeichnet, um das Ausmaß und die Richtung des Feldes visualisieren. Feldlinien sind in der Regel von einer positiven Quelle kostenlos und kostenpflichtig negative Quelle gerichtet.
Die Gesamtzahl der Feldlinien produziert durch ein geladenes Objekt stellt die Höhe der Gebühr, während die Dichte der Linien an einer bestimmten Stelle im Feld das Ausmaß an dieser Stelle bezeichnet. Daher sind die Linien eng in der Nähe einer geladenen Kugel verpackt, während sie mehr gespreizt in größerer Entfernung von der Quelle sind.
Die Richtung des elektrischen Feldes eine unbekannte Quelle Gebühr wird bestimmt, indem ein Test kostenlos in der Quelle kostenlos Nähe und beobachten, ob der Test kostenlos ist in Richtung angezogen oder Weg von der Quelle kostenlos abgestoßen.
Die Größe dieser Kraft, die 'F' Coulomb'schen Gesetz, welche Zustände, die Kraft ist linear proportional zur elektrischen Feldstärke und der Menge der Ladung auf die Test-Ladung gegeben ist. Richtung: Wenn der Test positiv ist, die Richtung der Kraft auf die Test-Ladung ist dasselbe wie das elektrische Feld. Wenn der Test negativ ist, ist die Richtung der Kraft jedoch entgegengesetzt zu der Feldstärke der Quelle kostenlos.
Elektrische Felder produzieren auch eine elektrische Potentialdifferenz oder einen Spannungsabfall, entlang der Richtung des Feldes. Dieses Phänomen wird in das elektrische Potential Video dieser Sammlung ausführlich diskutiert. Im Gegensatz dazu ist es wichtig zu beachten, dass elektrische Felder auch durch die Anwendung der unterschiedlichen Spannungen auf zwei getrennten Leitungen entstehen. In diesem Fall weist der Feldrichtung aus der höheren Spannung auf die niedrigere Spannung.
Neben geladenen Objekte beeinflussen elektrische Felder auch Materialien, die Ladung neutral, wie Kupferdraht. Alle neutralere Materialien bestehen aus eine riesige und gleicher Menge von positiven und negativen Ladungen. Elektrische Felder üben daher eine Kraft auf jedem dieser Gebühren; führt zu einer Verdrängung der großen Sammlungen in das Material kostenlos. Dies kann dazu führen, dass eine effektive Trennung der positiven und negativen Ladungen und ist bekannt als "Polarisation".
Im nächsten Abschnitt werden wir sehen, wie Feldlinien des elektrischen Feldes durch Anwendung der Spannungen auf zwei verschiedenen Elektrode Konfigurationen erzeugt zu visualisieren. Und im folgenden Abschnitt, dass wir sehen die Wirkung der elektrischen Kräfte und das Phänomen der Polarisation mit Papier, Fell, eine Acryl-Stab und ein Soda können.
Die Demonstration besteht aus einem elektrostatischen Generator wie ein handheld statische Grundstücksaussuche oder van der Graff Generator, zwei Elektroden, die in einer Konfiguration mit konzentrischen Kreisen angeordnet, zwei Elektroden Parallel zu einander, und eine Petrischale oder Beobachtung Tank angeordnet.
Die Beobachtung-Tank ist mit einer viskosen Öl, wie Rizinusöl, und etwa ein halbes Gramm Kopfprodukt Pulver, wie z. B. Grieß Samen gefüllt.
Laden Sie die Beobachtung Tank gefüllt mit Öl und Puder-Emulsion in die Halterung. Als nächstes befestigen Sie die Platte mit der parallelen Elektroden Konfiguration auf den Halter. Mit Kabel verbinden Sie die Elektroden an den negativen und positiven Klemmen des elektrostatischen Generator.
Drehen Sie die Kurbel des Generators mindestens 5 volle dreht, dadurch Schaffung einer Potenzialdifferenz zwischen den zwei Leitern und Aufbau eines elektrischen Feldes. Da das hinzugefügte Pulver Kopfprodukt ist, startet die Flecken Pulver langsam an die elektrischen Feldlinien ausgerichtet sind.
Als nächstes um die Gebühren zu neutralisieren, direkt kurz die positiven und negativen Terminals durch Anschließen eines Kabels zwischen den Terminals. Trennen Sie nach einer Wartezeit von ein paar Sekunden für die Ladung zu zerstreuen das Kurzschließen Kabel von den Anschlüssen. Dann heben Sie die Bereitstellung der Elektrodenplatte aus der Halterung.
Montieren Sie nun die Platte mit den konzentrischen Kreis-Elektrode-Konfiguration auf den Halter. Mischen Sie Öl und Kopfprodukt Pulver in den Tank Beobachtung durch Walzen sorgfältig das Set-up.
Schalten Sie den Generator und Kurbel es mindestens 5 vollen Umdrehungen erstelle ich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Dirigenten Ringen. Das Pulver zwischen den Ringen werden strahlenförmig Linien darauf hinweist, dass die elektrischen Feldlinien in dieser Region ähnlich wie die elektrischen Feldlinien unentgeltlich einen Punkt in der Mitte der Ringe sind bilden. Im Gegensatz dazu besitzt das Pulver innerhalb des inneren Kreises keine erkennbare Ausrichtung darauf hinweist, dass keine nennenswerten elektrisches Feld in dieser Region vorhanden ist.
Jetzt sprechen wir über ein Experiment, das veranschaulicht, Polarisation und elektrisches Feld zwingt. Die gemeinsamen Elemente in dieser Demo verwendet werden eine leere Sodadose, eine Acryl-Stab, ein Stück Fell groß genug, um den Stab wickeln und einen Streifen des Papiers.
Ort der leere Soda kann auf seiner Seite, so dass es frei Rollen kann. Wickeln Sie das Stück Fell an der Rute und reiben Sie es Ende mindestens 10 Mal. Durch die Rute reiben, Sie körperlich Übertragung von Elektronen aus dem Fell an der Rute und macht die Rute negativ geladene ermöglicht es, das elektrische Feld benötigt induzieren eine Polarisierung zu generieren.
Bringen Sie den geladenen Stab in der Nähe der leeren Cola-Dose und beobachten Sie die Anzugskräfte auf der Dose zu, wie es beginnt zu Rollen in Richtung der Rute. Und zwar deshalb, weil die Rute elektrisches Feld eine Polarisation auf die Cola-Dose induziert. Kosten gegenüber in Zeichen, die auf der Rute sind die Rute näher gebracht, während Gebühren des gleichen Zeichens Weg von den Stab geschoben werden. Dadurch wird die Rute übt sowohl attraktiv als auch abstoßende Kräfte auf der Dose. Da die entgegengesetzten Ladungen näher an der Rute sind, erleben diese eine stärkere Kraft, die eine attraktive Nettokraft in Richtung der Stab produziert.
Als nächstes bringen Sie die geladenen Stab in der Nähe der Papierstreifen und beobachten Sie das Papier auf den Stab zu biegen. Das attraktive Verhalten ist das Ergebnis der gleichen induzierte Polarisation Auswirkungen, die die Soda verursacht kann um den Stab zu Rollen. Interessant ist, trotz einem Gewicht von deutlich weniger als die Cola-Dose, ist die Gesamtbewegung des Papiers vergleichsweise gering. Dies ist aufgrund der isolierenden Beschaffenheit des Papiers im Vergleich zu der leitfähigen Natur der Dose, führt zu einer viel schwächeren Polarisation.
Elektrische Felder sind allgegenwärtig, seit es sie gibt, wo es Objekte oder Spannungsdifferenzen aufgeladen sind.
Strom oder elektrischem Strom, ist das Ergebnis der elektrische Kraftfelder, die Ladung durch hoch leitfähige Drähte schieben. Auf einer großen Skala handelt es sich um die Weiterleitung von Strom aus Kraftwerken, Wohn-und Geschäftshäuser. In einem kleineren Maßstab ist der Durchgang des elektrischen Stromes durch eine Schaltung grundlegend für jedes elektronische Gerät, wie z. B. eine LED, eine Glühbirne, ein Fan oder ein Computer in Betrieb.
Masse Spectrometery verwendet elektrische Felder um die chemische Zusammensetzung einer Probe zu bestimmen. In diesem Gerät werden zuerst die ionisierten Moleküle durch Anwendung der starke Kräfte, z. B. einen Elektronenstrahl, Plasma oder Laser erzeugt. Diese geladenen Moleküle dann durch eine Reihe von elektrischen Wechselfelder weitergegeben werden. Das Feld übt eine elektrische Kraft auf die Moleküle, die ihre Flugbahn führt zu effektiven Trennung verändert.
Sie habe nur Jupiters Einführung in elektrischen Feldern beobachtet. Sie sollten jetzt die Prinzipien verstehen, die Regeln, die Größe und Richtung der elektrische Felder, wie Sie die elektrischen Feldlinien sichtbar zu machen und wie Polarisation durch ein elektrisches Feld induziert werden kann. Danke fürs Zuschauen!
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Results
Für Schritt 1.4 startet das Pulver bilden Linienmuster zwischen den Elektroden wie in Abbildung 3dargestellt. Und zwar deshalb, weil das Pulver polarisiert sind und sich mit dem elektrischen Feld werden. Sie sind auch in Richtung wo das Feld stärker, nämlich näher an der positiven Elektrode ist angezogen. Das Pulver bewegen nicht merklich weil das Öl sehr zähflüssig ist. Das Muster der Pulver visualisiert die "elektrischen Feldlinien".
Abbildung 3 : Das Diagramm zeigt repräsentative Linienmuster, die durch das Pulver in das Öl, Angleichung an das elektrische Feld erzeugt durch die geladenen Elektroden entsprechend Abbildung 1gebildet werden können. Das Linienmuster reflektieren die elektrischen Feldlinien und das elektrische Feld zu visualisieren.
Für Schritt 1,7 bildet das Pulver außerhalb der Ringmitte (erstellt von der "+" Elektrode) eine radiale Linienmuster, wie in Abbildung 4dargestellt. Dies bedeutet, dass ein elektrisches Feld außerhalb des inneren Ringes vorhanden ist. Aber das Pulver in den inneren Ring erscheint zufällig und bildet keine ausgerichtete Muster. Dies spiegelt die Tatsache, dass das elektrische Feld im Inneren des Ringes ungefähr null ist.
Abbildung 4 : Das Diagramm zeigt repräsentative Linienmuster, die Form durch das Pulver in das Öl als Reaktion auf das elektrische Feld durch die geladenen Elektroden entsprechend Abbildung 2produziert. Das Linienmuster reflektieren die elektrischen Feldlinien und das elektrische Feld zu visualisieren. Zufällige Verteilung (mangelnde Linienmuster) des Pulvers in den inneren Ring spiegelt den Mangel an Ausrichtung oder das Fehlen von ausreichender Stärke elektrischer Felder gibt.
Für Schritt 2.3 und 2.4 sowohl die Getränkedose und Papierstreifen von angezogen werden und bewegen sich auf der geladenen Stab. Deshalb, weil sowohl die Getränkedose Papierstreifen durch das elektrische Feld polarisiert wird und das elektrische Feld stärker ist näher an die Rute und schwächeren weiter entfernt von der Rute. Daher sind die Gebühren, die durch das elektrische Feld näher an der Rute gezogen durch eine stärkere Kraft im Vergleich zu diesen entgegengesetzten Ladungen weggedrückt die Rute gezogen. Dadurch entsteht eine attraktive Nettokraft in Richtung der Rute.
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Applications and Summary
In diesem Experiment haben wir elektrische Felder mit elektrifizierten Pulver in ein Öl, die mit den elektrischen Feldlinien ausrichten visualisiert. Wir zeigten auch die Wirkung eines elektrischen Feldes, produziert von einer Ladung Rod gewinnen Kopfprodukt Objekte in Richtung der Rute, d. h., die Quelle des elektrischen Feldes, wo das elektrische Feld stärker ist.
Elektrische Felder sind allgegenwärtig. Wann immer es Kosten oder Spannungsdifferenzen (elektrisches Potential gibt), gibt es elektrische Felder. Elektrische Felder bieten die Kraft zum Drücken Gebühren (in der Regel Elektronen) in Form elektrischer Strom in keine Schaltungen. Elektrische Felder sind auch verantwortlich für die Funken, die wir sehen und erleben in trockenen Klima (in der Regel im Winter). Wenn eine bestimmte Aktion (z. B. einen Pullover reiben, wenn Sie es entfernen) eine ausreichende Menge an Gebühren und damit ein ausreichend starkes elektrisches Feld erzeugt, kann das Feld transiente elektrische Leitfähigkeit in Luft (auch bekannt als "elektrischen Zusammenbruch", wo das elektrische Feld stark genug ist, nicht nur die Luftmoleküle polarisieren, sondern sogar Abzocke Elektronen aus Luftmolekülen) , und Funkenflug.
Der Autor des Experiments anerkennt die Unterstützung von Gary Hudson für die Vorbereitung des Materials und Chuanhsun Li für den Nachweis der Schritte in dem Video.
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